長輸管道閥室接地網腐蝕狀況檢測及原因分析

李 燦;單魯維;王磊磊;吳振宙;王 強;曹曉斌

(1.國家管網集團西氣東輸公司,上海 200122; 2.四川雷盾科技有限公司 成都 610000;3.西南交通大學電氣工程學院,成都 611756)

0 引言

接地網是保證輸油氣管道閥室設備穩定運行和人員安全的重要設施,用于給各個系統提供公共參考地。在遇到雷擊或電力系統發生短路故障時,雷電流或短路電流可以通過接地裝置快速散入大地,防止地電位過高造成設備損壞[1-4]。

隨著我國西氣東輸、南北互聯戰略的實施,我國這幾年來新建了大量的長輸管道。目前,國家管網西氣東輸管道系統運營里程超過了兩千公里,途經江蘇地區13個地級市、73個縣(區市),管道沿線分布有56座場站、90座閥室[5-6]。

閥室是長輸管道用于實現油氣輸送管控、減少故障范圍的重要設施,其接地網為閥室內部的控制和計量設備提供工作接地與防雷接地。當接地網腐蝕嚴重時,會造成接地電阻過高,對閥室的安全運行造成嚴重影響,對接地網的腐蝕情況進行定期檢測有利于掌握地網的狀態,防止設備反擊損壞[7-10]。

近年來檢查發現,我國東南部長輸管道的A、B、C、D四座閥室均于2014年進行了接地網更新改造?，F場所使用的接地網材料為-40×4熱鍍鋅扁鋼和L50×5×2 500熱鍍鋅角鋼。但僅僅過了5年的時間,在進行現場開挖時發現四座閥室的接地網均腐蝕嚴重,腐蝕程度超過了材料的三分之一。

造成接地網腐蝕的因素很多,如土壤的含鹽量、含水量、透氣性、酸堿度等等,其中高酸堿度和高含鹽量是造成接地網快速腐蝕的主要原因[11-14]。

現在的研究認為,如果輸電系統有部分工作電流或不平衡電流流入大地,會造成周邊輸油氣管道腐蝕,但這方面的研究主要針對高壓直流接地極對周邊電力系統桿塔接地裝置和油氣管道的腐蝕[15-18],未開展對閥室接地網的研究。

為了防止閥室內的管道與地網之間存在過高的電壓,引起設備放電燒蝕和人員觸電,因此許多閥室安裝了智能接地裝置[19-23]。當管道對地網的電壓較高時,這些接地裝置將管道與閥室地網連通,從而降低該段管道對大地的電壓[24-26]。但智能接地裝置工作時,將形成管道與大地的電流通路,造成直流電流通過閥室的地網流入大地,從而造成腐蝕[27-30]。

文中A、B、C、D 4座閥室到最近的直流輸電線路接地極均在60 km以上,其中最遠的閥室到高壓直流接地極的距離達到140 km,且附近60 km內均并沒有直流輸電線路通過。為了查明這4座閥室地網快速腐蝕的真正原因,筆者對可能引起接地網腐蝕的各種因素進行了調查研究。

1 閥室接地網腐蝕狀況

開挖檢測是對接地體結構腐蝕情況進行評估最為直接的方式,通過對場站和閥室的接地網進行開挖,得到了現場敷設的接地體材質、埋設深度和接地體腐蝕情況。為避免在開挖檢測過程中對現場的重要隱蔽設施造成影響,本次檢測評估的開挖檢測點均選擇在接地引下線處,4個閥室的設備接地連接線和接地網的檢測數據見表1。

表1 各閥室宏觀檢測結果

現場開挖得到的接地體腐蝕情況見圖1。通過對接地體開挖檢測發現,A、B、C、D 4座閥室的接地網均存在嚴重腐蝕現象,其中A、D腐蝕情況稍輕,A閥室接地網引上線附近的接地扁鋼有多處3 cm×4 cm的腐蝕區域,最大腐蝕深度為1.3 mm。D閥室測試點1、測試點2和測試點3處的接地扁鋼及角鋼均已全部銹蝕,最大銹蝕深度2.3 mm。

圖1 接地體腐蝕狀況圖

B、C閥室地網腐蝕較為嚴重,其中B閥室測試點1接地網引上線附近的接地扁鋼有10 cm×4 cm的腐蝕區域,測試點2處接地網引上線附近的接地扁鋼已嚴重腐蝕,最大腐蝕深度為1.4 mm,扁鋼的邊沿呈鋸齒狀。

C閥室腐蝕情況最為嚴重。測試點1處的接地扁鋼在埋入地面下0.3 cm處已銹蝕至扁鋼寬度的二分之一,測試點2處的接地扁鋼在埋入地面以下至接地網的連接處已全部腐蝕,最大腐蝕深度為1.97 mm。

為了進一步分析接地體腐蝕的原因,分別測量了這4個閥室的地網接地電阻值、土壤電阻率、土壤理化參數。

2 接地網檢測

2.1 接地電阻檢測

接地電阻值是判定接地系統是否有效的重要參數之一,現場測量使用數字式接地電阻測試儀MI12126,采用三極法對接地網的接地電阻值進行測試。

測量時將被測物的接地引下線進行了拆除,避免設備其他的接地連接點對測試值造成影響,現場測量布線原理圖如圖2所示。測量時電壓極和電流極距離電流注入點的距離均為2D以上(D為接地網對角線長度),電壓極與電流極與接地網連線的夾角為90°。

圖2 接地電阻測試原理圖

閥室的工藝區和放空區分別進行接地電阻測量,得到的結果見表2。

表2 各閥室的接地電阻

2.2 土壤電阻率檢測

考慮影響地網接地電阻的不僅有接地網腐蝕原因,還會因季節造成土壤電阻率變化,從而造成地網接地電阻改變。因此本研究采用溫納四極法測量了閥室附近的土壤電阻率。測試點選取靠近閥室外側無主管道及接地體埋設的區域,測得4座閥室所在區域土壤電阻率分別為:A閥室184.75 Ω·m,B閥室50.66 Ω·m,C閥室25.5 Ω·m,D閥室34.34 Ω·m。

根據現場測量,A閥室和D閥室工藝區接地網為20 m×20 m矩形接地網,B閥室和C閥室工藝區接地網為10 m×10 m矩形接地網;4座閥室放空區接地網均為8 m×8 m矩形接地網。

2.3 檢測結果分析

對4座閥室工藝區和放空區接地電阻值與其所在區域土壤電阻率進行對比分析,見圖3。

圖3 接地電阻值與土壤電阻率對比圖

由圖3可以看出,4座閥室所在地的土壤電阻率比較低,因此雖然各閥室環形地網面積較小,但接地電阻值均小于2 Ω,滿足接地標準的規定。

通過對4個閥室的接地電阻與土壤電阻率的測試可知,4個閥室的接地電阻相差并不大,尤其是腐蝕情況最為嚴重的C閥室,其接地電阻在4個閥室中僅大于A閥室,只有1.27 Ω。B閥室工藝區的接地電阻最大,但其土壤電阻率也相對較大,僅小于A閥室。

通過對接地電阻與土壤電阻率測量和比較可以發現,盡管4個閥室的腐蝕嚴重程度不一,但無法從接地電阻與土壤電阻率對腐蝕情況進行判斷。

3 土壤性能檢測

3.1 土壤氧化還原電位檢測

氧化還原電位是個綜合反映土壤氧化還原程度的指標。當氧化還原電位高時,說明氧化劑占的比例大,氧化性強;當氧化還原電位低時,說明還原劑占的比例大,還原性強。氧化還原電位愈低,硫酸鹽還原菌對金屬的腐蝕作用愈大。因此,可以通過氧化還原電位,進而評估土壤的腐蝕性。

現場檢測采用土壤ORP測試儀對土壤氧化還原電位進行測量。測試結果見表4。

表4 各閥室處的氧化還原電位

由表4可知,A、B、C、D 4座閥室各測試點土壤的氧化還原電位測試值均大于400 mV。我國電力行業標準DL/T 1554-2016接地網土壤腐蝕評價導則中第5.1.4條規定,當土壤氧化還原電位大于400 mV時,土壤微生物腐蝕性屬于微弱等級。由此可知各閥室土壤微生物對接地網的腐蝕性微弱[31]。

3.2 土壤質地檢測

現場對接地裝置埋設深度處的土壤進行了采樣。A、B、C、D 4座閥室各采樣點的土壤質地及PH值見表5。

表5 閥室處的土壤參數

從表5中的數據我們發現,A、B、C、D 4座閥室的土壤質地均為粘壤土,所有采樣點的土壤PH值都呈堿性,在些情況下,土壤對接地體的腐蝕強度十分微弱。

3.3 土壤中離子含量檢測

A、B、C、D 4座閥室各采樣點的土壤中離子含量檢測結果見表6。

根據接地網土壤腐蝕評價導則(DL/T 1554-2016)附錄B中規定[31],當土壤中水溶性氯離子與硫酸根離子的總量小于30 mmol/kg時,其對接地網的腐蝕十分微弱。從表6中的數據可知,A、B、C、D 4座閥室土壤中水溶性氯離子與硫酸根離子總量均小于10 mmol/kg,對接地網的腐蝕十分微弱。

從表5與表6中的數據可知,同一座閥室的各檢測點之間各項土壤理化參數數據相近,不存在接地網不同位置存極化電位差,從而使部分接地網導體位于陽極段,從而發生腐蝕的情況。

3.4 接地體自然電位檢測

接地裝置在土壤中的自然電位是衡量土壤腐蝕性的重要參數之一,現場檢測采用無水硫酸銅參比電極法進行測量,測量所使用儀器為FLUKE 15B+萬用表。對每個閥室的接地網均選擇3個測試點對其自然電位進行測試,其自然電位的測試結果見圖4。

圖4 接地體自然電位測量結果

從圖4可以看出,本次檢測的A、B、C、D 4座閥室的各測試點接地體的自然電位測試值位于-0.558 V～-0.276 V范圍內。

3.5 土壤的自然腐蝕性分析

土壤的腐蝕性過強是造成接地裝置腐蝕速度過快的主要因素。但土壤引起的自然腐蝕分兩種,一種是通過土壤中的酸對金屬造成氫置換反應,引起金屬溶解。另一種是土壤中含鹽量過高,加速金屬與內部雜質的原電池反應。從4個閥室的土壤檢測結果可知,這4個閥室的PH值均大于7,呈弱堿性,可以排降除酸性環境引起的腐蝕。從表5中的數據可知4座閥室的土壤中含鹽量也非常低,原電池反應對接地網的腐蝕也應十分微弱。

最終從各測試點接地體的自然電位測試值也可知,其自然極化電位在-0.558 V～-0.276 V范圍內,屬于弱腐蝕區域,即這4個閥室的接地極腐蝕問題不是受土壤的影響。

4 直流干擾引起腐蝕的可能性評估

本研究中這4座閥室沿線分布著4座高壓直流輸電線路接地極,其中A閥室距最近接地極為70 km,B閥室到最近接地極為65 km,C閥室到最近的接地極是140 km,D閥室是70 km。

為此,課題組調研了4個閥室的智能接地系統排流情況,其中A室在一個季度內發生了4次排流,第1次平均電流為2.5 A,持續時間2天、第2次平均電流4 A,持續4天、第3次平均電流為1 A,持續2天、第4次平均電流為1.5 A持續時間2天,因此計算得到排流量為

2.5×2+4×4+1×2+1.5×2=21(安培·天)

按一季度計算,平均到90天后,每天的平均電流為:

21/90=0.233(安培·天)

假設每個季度情況都相同,則該閥室的實際每年的日平均排流量為0.233(A)。

根據Faraday電解第一定律:

(1)

式中,Δw為金屬在時間Δt內的腐蝕量,kg;Q為在時間Δt內流過金屬的電量,C;F為Faraday常數,1F=96 485 C;n為金屬在氧化過程中失去的價電子數;k為金屬的化學當量,k=M/nF,kg/(A·s);鐵:k=2.89×10-7kg/(A·s);鉛:k=10.63×10-7kg/(A·s);M為金屬的摩爾質量,kg/mol;I為流出陽極金屬的電流,A。

根據Faraday電解第一定律,在自然條件下,1 A的電流1年內能腐蝕8 kg～10 kg鋼鐵、17.6 kg鋅或33.5 kg鉛,當接地體為鍍鋅扁鋼時,腐蝕量約為17.25 kg。因此可算得A閥室的年金屬損失量約為

W=17.25×0.233=4.02(kg)

采用同樣的方法,可以得到B閥室的金屬損失量約為2.33 kg,C閥室的金屬損失量約為1.26 kg,D閥室的金屬損失量約為2.07 kg。因此,從接地網改造后,5年時間的總腐蝕量為A閥室約為20.1 kg,B閥室約為11.6 kg,C閥室約為6.3 kg,D閥室約為10.4 kg,與總接地網相比,該質量損失并不大。為些本文對接地極的腐蝕特征進行了分析。發現接地扁鋼的腐蝕以局部點腐蝕為主,斷裂面邊緣鋒利,符合這一特征。見圖5。

圖5 接地體腐蝕狀況圖

造成該現象的原因為:當接地極有電流流入大地時,扁鋼的邊沿是電流密度較大的區域,因此截面的四角更容易發生腐蝕,進而造成接地扁鋼斷裂,接地網整體性能變差。

5 結論

為了查明造成閥室接地網快速腐蝕的主要原因,本研究實測了某長輸管道A、B、C、D 4座閥室接地網的接地性能和土壤參數,調查了其接地電流的記錄,得到如下結論:

1)發現4個閥室接地網均存在嚴重的腐蝕現象,其腐蝕特征為,以點腐蝕為主,腐蝕主要集中在部分點,這些點腐蝕嚴重時截面損失接近1/3,但腐蝕點附近的導體卻只有少量斑點。通過對接地體腐蝕截面進行分析,發現其腐蝕斷裂面邊緣鋒利,符合電流腐蝕特征。

2)接地電阻測量結果均在1 Ω左右,土壤理化參數各項檢測數據表明土壤微生物腐蝕屬于微弱等極,都能滿足標準的規定要求,進一步證明了是直流干擾造成了這4閥室接地網加速腐蝕。計算結果表明因直流系統排流造成接地網的每年腐蝕量在2 kg～4 kg左右,但由于腐蝕位置集中在部分點,容易造成接地扁鋼斷裂。

3)本研究的A、B、C、D 4座閥室到直流接地極距離不同,但均在60 km以上,證明直流接地極可以對遠處的閥室接地網造成腐蝕。從4座閥室的排流記錄和地網調查結果發現,盡管直流輸電線路每年排流時間短,排流電流小,但受接地網腐蝕特征的影響,該排流電流可以造成閥室接地網局部腐蝕斷裂。